Типи лазерних джерел та їхні характеристики
Лазерне маркування характеризується високою швидкістю, точністю, ефективністю, довговічністю маркувань з мінімальним пошкодженням поверхні матеріалів, низьким рівнем шуму та легким обслуговуванням. Технологія поступово перевершує традиційні технології маркування, такі як штампування, електрохімічне маркування, механічне гравіювання і струменевий друк.
Основою лазерного маркера лежить важливий компонент: лазерне джерело. Воно відповідає за генерацію та випромінювання лазерного променя. Якість лазера безпосередньо впливає на продуктивність лазерного маркування. Робочим середовищем оптоволоконного лазера є оптоволокно, збагачене рідкісноземельними елементами, яке зазвичай збуджується випромінюванням від діода – таким чином, генерується лазер. Існую два типи волоконних лазерів “Q-switched” (Q-перемикачем) та «MOPA»(Мастер-осцилятор підсилювач потужності) названі відповідно до їхніх основних технологій
УФ-лазер, скорочення від ультрафіолетового лазера, названий на честь довжини хвилі, яку він генерує. Робочим середовищем ультрафіолетового лазера є тверде тіло, яке генерує лазер шляхом оптичного збудження лазерно-активних іонів домішок у твердому тілі.
Діодний лазер, також відомий як напівпровідниковий лазер, має робочу основу, що складається з напівпровідникових матеріалів. Робочим ядром є p-область (позитивна) і n-область (негативна), що складають структуру p-n переходу. Він може безпосередньо здійснювати електрооптичне перетворення в лазерне. Для цього сила струму діодного лазера повинна перевищувати певний поріг, інакше діод буде поводитися як світлодіод.
Лінійка лазерів включає лазери різних довжин хвиль, таких як ультрафіолетові, видимого світла, інфрачервоні. Конкретний лазер випромінює певну довжину хвилі на основі робочого середовища, конструкції самого лазера та модуляції довжини хвилі.
Оптоволоконні лазери, включаючи Q-switched і MOPA, зазвичай випромінюють лазерні хвилі довжиною близько 1064 нм, невидимому для людського ока. Різні поширені метали, такі як нержавіюча сталь, алюміній і мідь, ефективно поглинають світло в ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, що дозволяє оптоволоконним лазерам легко маркувати і гравіювати металеві матеріали.
Ультрафіолетові лазери випромінюють ультрафіолетове світло з довжиною хвилі близько 350±5 нм. Завдяки коротшій довжині хвилі, ультрафіолетовий лазер безпосередньо впливає на матеріал на молекулярному рівні, що призводить до мінімальних теплових ефектів. Тому машини для маркування ультрафіолетовим лазером підходять для нанесення маркування на більшість матеріалів, такі як метали, дерево, пластмаси, і особливо для матеріалів, чутливих до нагрівання, таких як скло і термопластик. Не підлягають УФ маркуванню деякі метали з високим коефіцієнтом відбиття.
Діодні лазери мають ширший діапазон довжин хвиль 400-2000 нм. Найчастіше для лазерної обробки використовують довжини хвиль 532 нм (зелений), 450±5 нм (синій) і 405 нм (фіолетовий). Ці довжини лазерних хвиль знаходяться в межах видимого діапазону світла і їх можна побачити неозброєним оком. Однак це не означає, що пряме спостереження за видимими лазерами є безпечним – прямий вплив будь-якого типу лазера може пошкодити очі і становить небезпеку. На відміну від оптоволоконних лазерів ближнього інфрачервоного діапазону, довжини хвиль діодних лазерів можуть використовуватися для обробки неметалевих і металевих матеріалів. Метали можуть ефективно поглинати коротші довжини хвиль світла. Серед них сині лазери особливо підходять для маркування жовтуватих відбиваючих металів, таких як латунь і золото.
Якість лазерного променя вимірюється параметром M2. M2 являє собою відношення фактичного променя до ідеального гауссового променя. Чим ближче M2 до 1, тим краща якість променя, з меншими кутами розбіжності. Краща якість променя в результаті видає менший розмір плями, більшу концентрація потужності і кращу якість обробки.
Оптоволоконні лазери мають високу якість променя зі значенням M2 менше 1,2, що означає, що вони можуть генерувати промінь, близький до ідеального гауссівського. Висока якість променя обумовлена унікальною структурою оптичного джерела і принципами роботи. Середовище посилення волоконних лазерів збагачене рідкоземельними елементами, дозволяє лазерній моді добре утримуватися в серцевині волокна. Це дає можливість отримувати високоякісний лазерний промінь. Крім того, на якість променя волоконного лазера менше впливають зміни зовнішнього середовища, що забезпечує стабільність і постійність під час обробки.
Ультрафіолетові лазери також мають високу якість променя зі значенням M2 менше 1,2, робить їх придатними для високоточного маркування з високою роздільною здатністю. Коротка довжина хвилі ультрафіолетових лазерів дозволяє створювати дуже малу сфокусовану пляму на матеріалах, що є перевагою для точного маркування. Однак на якість променя ультрафіолетових лазерів можуть впливати фактори зовнішнього та робочого середовища, такі як коливання температури і механічні вібрації.
Значення M2 діодних лазерів як правило коливається від 1,1 до 1,7. Розмір і форма лазерної плями тісно пов’язані зі структурою лазера та умовами експлуатації. Порівняно з CO2 та твердотільними лазерами, діодні лазери мають більш мінливу і нерегулярну форму променя. Малопотужні діодні лазери зазвичай мають вищу якість променя, тоді як потужні діодні лазери мають гіршу якість променя. Тому комерційні малі та середні маркери для лазерного різання та гравіювання часто використовують кілька малопотужних діодних лазерів замість одного потужного, щоб досягти більшої загальної вихідної потужності. Твердотільні лазери випромінюють тонкий колімований промінь. Однак, через особливу структуру і малий розмір діодів, вихідний лазер зазнає заломлення на вихідному кінці лазерного джерела, що призводить до більшого кута випромінювання. Для перетворення лазерного променя в паралельний промінь, який потім фокусується за допомогою лінз, потрібні додаткові оптичні призми.
Лазери можна розділити на лазери безперервної дії та імпульсні лазери. Оптоволоконні та ультрафіолетові лазери належать до імпульсних лазерів, тоді як діодні лазери належать до безперервно-хвильових лазерів.
Лазери на безперервних хвилях безперервно випромінюють лазерний промінь. На відміну від них, імпульсні лазери випромінюють лазер з перервами, випускаючи певну кількість лазерних імпульсів за одиницю часу. Безперервно-хвильові лазери демонструють більш виражені теплові ефекти, тоді як деякі імпульсні лазери мають мінімальні теплові ефекти.
Режим випромінювання лазера, безперервний чи імпульсний, не залежить від його робочого середовища і методу збудження. CO2-лазери з радіочастотним збудженням можуть працювати в безперервному, імпульсному та суперімпульсному режимах, тоді як волоконні лазери на MOPA можуть працювати в безперервному та імпульсному режимах. Обладнання для лазерного маркування переважно використовують імпульсні лазери, тоді як машини для лазерного різання та гравіювання зазвичай використовують лазери з безперервною хвилею.
Імпульсні лазери можуть випромінювати велику кількість лазерних імпульсів протягом однієї секунди, з дуже короткими інтервалами часу між кожним імпульсом. Вони мають два параметри потужності: середню потужність і пікову потужність. Середня потужність вимірює вихідну потужність імпульсного лазера протягом однієї секунди, включно час, коли випромінюються імпульси, так і проміжки часу між імпульсами. Пікова потужність, з іншого боку, вимірює миттєву потужність протягом однієї тривалості імпульсу, виключаючи інтервали часу, коли випромінювання не відбувається. На практиці пікова потужність імпульсного лазера може в сотні разів перевищувати його середню потужність.
Пікова потужність є специфічною для імпульсних лазерів і не може бути безпосередньо вистановлена в програмному забезпеченні. Її можна лише опосередковано контролювати, регулюючи такі параметри, як тривалість імпульсу. У маркувальних машинах з Q-switched та інших лазерах з нерегульованою шириною імпульсу пікова потужність не може бути відрегульована. Маркувальні машини з Q-switched не можуть досягти чорніння на анодованому алюмінії або кольорового маркування на нержавіючій сталі, в той час як маркувальні машини MOPA можуть.
Безперервно-хвильові лазери працюють, безперервно випромінюючи один лазерний імпульс за одиницю часу.
Загальноприйнятою одиницею виміру потужності лазера є Ват. Однак, задаючи параметри лазерного випромінювача, можна побачити одиниці потужності, виражені у відсотках. Описуючи різні моделі лазерів, можна почути про лазери потужністю 30 Вт або 80 Вт. Ці цифри позначають максимальну межу потужності, яку може забезпечити лазер. Наприклад, 30-ватний лазер може забезпечити потужність в діапазоні від 0 до 30 Вт. Встановлюючи параметр потужності, фактично встановлюється вихідна потужність лазера. Наприклад, для лазера потужністю 30 Вт встановлення потужності на 20% дає фактичну вихідну потужність 30 Вт * 20% = 6 Вт. Чим вища вихідна потужність, тим більша енергія лазерного променя.
Незалежно від типу лазера, маркувальні лазерні машини можуть досягати максимальної швидкості обробки понад 2000 мм/с. Рух лазерного променя в маркувальних машинах контролюється гальванометричною системою, яка є швидкою та може забезпечити точну обробку без спотворень лише в невеликих границях. Як наслідок маркувальні машини мають невеликі робочі зони. З іншого боку, система руху машин для лазерного різання та гравіювання складається з двигунів, направляючих рейок і ременів передачі, які мають відносно меншу швидкість.
Лазерні маркувальні машини з Q-перемикачем і лазерні маркувальні машини MOPA можуть маркувати такі метали, як латунь, біла мідь, бронза, фосфориста бронза, нержавіюча сталь 304 (харчова), дзеркальна нержавіюча сталь, вуглецева сталь, звичайне залізо, оцинковане залізо, цинковий сплав, позолочений цинковий сплав, цинк, магній, нікель, алюміній, анодований алюміній, титан, а також неметалеві матеріали, такі як ПЕТ, епоксидна смола, PU шкіра та інші. Що стосується маркування металу – оптоволоконні лазери як правило мають дуже чіткий і точний ефект гравіювання. Вони також можуть бути використані для видалення покриттів з металів та фарби з пластикаі т.д. При гравіюванні пластикових виробів оптоволоконними лазерами, краї дуже чіткі.
УФ-лазерне маркування належить до маркування холодним світлом, безпосередньо впливає на молекулярну структуру матеріалів під час обробки без їх нагрівання. Це дозволяє запобігти пошкодженню матеріалу від нагрівання та уникнути його займання під час обробки. Крім того, під час УФ-маркування не утворюється випари або дим. Таким чином, УФ-лазерні маркувальні машини підходять для маркування більшості матеріалів, за винятком деяких металів з сильно відбиваючою поверхнею. Вони також підходять для надтонкого маркування харчових і медичних пакувальних матеріалів. На деяких пластиках, таких як білі пляшки для напоїв, ефект маркування є чітким і яскравим, подібний до струменевого друку. УФ-лазери можуть забезпечити високу точність обробки на мікронному або навіть нанометровому рівні мікронерівностей кремнієвих пластин.
Діодний синій лазер може обробляти дерево, шкіру, папір, картон, непрозорий акрил, камінь, скло з покриттям, кераміку з покриттям, нержавіючу сталь, титан, залізо та оксид алюмінію. При використанні синього лазерного гравіювання на пластику – краї маркування можуть виглядати не чітко. Крім того, ефект гравіювання синім лазером на акрилових матеріалах не дуже виражений, в той час як волоконні лазери можуть вигравіювати чіткі малюнки на акрилі. При гравіюванні металів синіми лазерами глибина гравіювання може бути нерівномірною, якість маркування низька. Крім того, тепловий вплив синіх лазерів на метали під час обробки є значним, що може спричинити деформацію металу.
Термін служби оптоволоконних лазерів відносно довгий, як правило він перевищує 20 000-30 000 годин. Деякі постачальники волоконних лазерів з Q-switched стверджують, що їхні лазери можуть працювати до 100 000 годин. Термін служби УФ-лазерів може перевищувати 20 000 годин. На фактичний термін служби лазерів впливають умови експлуатації, фактори навколишнього середовища і технічне обслуговування. Термін служби діодних лазерів становить близько 10 000 годин. Однак деякі діодні лазери можуть не досягти очікуваного терміну служби. Це пов’язано з тим, що діодні лазери, як правило, мають меншу потужність, що вимагає тривалої роботи на максимальній потужності для досягнення бажаних результатів. Тривала робота на високій потужності може прискорити старіння компонентів лазера, скорочуючи термін його служби. Після безперервної роботи на 100% потужності протягом декількох десятків годин вихідна потужність діодних лазерів може знизитися на 30-40% і не підлягає відновленню. Це пов’язано із значним впливом температури на властивості діодів. Робота на високих потужностях може викликати інтенсивне нагрівання лазера, висока температура може змінити спектр випромінювання і пороговий струм діода. Крім того, тривала робота на високій потужності може збільшити ризик збоїв, вплинути на стабільність і пошкодити оптичні компоненти.
Під час тривалої роботи лазерні установки генерують значне тепло, що призводить до нестабільного лазерного випромінювання та погіршення якості променя. Тому лазерне обладнання комплектується системами охолодження для забезпечення стабільної роботи протягом тривалого часу. Станки для лазерного маркування зазвичай використовують відведення тепла з повітряним охолодженням. Перевага повітряного охолодження полягає в простоті встановлення та обслуговування, а також зручній реалізації. Однак розсіювання тепла може бути не таким ефективним, як при водяному охолодженні, що в першу чергу підходить для малого та середнього за розмірами лазерного обладнання. Робота вентиляторів може створювати певний шум.
Сценарії застосування
При виборі лазера важливо враховувати конкретні вимоги до застосування, умови і місце використання. Кожен тип лазера має свої унікальні сценарії використання і робочі характеристики.
Оптоволоконні лазерні маркувальники мають такі переваги, як тривалий термін служби і низькі витрати на обслуговування, що робить їх більш придатними для комерційних і промислових сценаріїв. Лазерні маркувальні станки з Q-перемикачем мають базові функції маркування, здатні маркувати більшість металів, кольорового маркування на титанових пластинах, а також деякі неметали. Вони також можуть маркувати кольором пластини з нержавіючої сталі та нікелю. Лазерні маркувальні машини MOPA можуть виконувати всі функції маркування лазерних маркувальних машин з Q-перемикачем, але мають більш яскраві, насичені кольори маркування, здатні досягти чорного маркування на оксиді алюмінію та стабільного кольорового маркування на нержавіючій сталі.
Маркувальні станки з УФ-лазером більше підходять для промислового застосування. При виробництві продукції, інформацію про продукт(дата виробництва, номер партії, коди відстежування) неможливо надрукувати заздалегідь. Її потрібно наносити відразу після виробництва. УФ-лазерне маркування, використовую технологію маркування холодним світлом на пластиковій зовнішній упаковці продуктів харчування, товарів повсякденного вжитку та електроприладів. Якісне маркування може конкурувати зі струменевим друком, але без чорнила та ризику пропалювання упаковки, нагрівання продуктів або утворення токсичних і шкідливих речовин. Станки для УФ-лазерного маркування також мають широке застосування в таких галузях, як тонка обробка гнучких друкованих плат і виробництво напівпрозорих кнопок.
Діодні лазери підходять для різних галузей використання, але вони мають деякі обмеження щодо якості променя, коротких імпульсів і температурних ефектів. Порівняно з оптоволоконними лазерами, діодні лазери мають гірші характеристики з точки зору діапазону застосування, потужності та швидкості обробки неметалевих матеріалів. Вони як правило використовуються в настільних машинах та інших невеликих пристроях для лазерного маркування неметалевих виробів. Але мають просту структуру, високу ефективність, компактні розміри, їх легко транспортувати. Особливо підходять для тих, хто використовує лазери лише час від часу, має обмежений простір та не потребує масового виробництва.
